四硫富瓦烯（TTF）类有机单晶微纳器件的研究

论文摘要

有机单晶微纳器件的研究对于探索材料电子传输的本征特性具有十分重要的意义。我们在制备高性能有机单晶场效应晶体管的同时,分析有机单晶的分子结构、生长方向、堆积形式等有助于我们认识电子传输与分子结构之间的关系,理解电子沿有机晶体各个方向传输的本征特性,并获得具有高性能参数的理想分子形态,将提高有机功能分子可控合成的成功概率。作为研究最为广泛的杂环系统,四硫富瓦烯（TTF）以及衍生物以其优异的物理与化学性质受到广泛研究。本论文主要以TTF以及衍生物为代表研究其有机单晶场效应晶体管和光晶体管,主要研究内容如下:（1） TTF单晶存在两种相态,采用不同溶剂分别可控合成两种相态的TTF单晶。实验中采用正庚烷溶剂能够可控生成TTF的一维α相,而氯苯溶剂能够可控生成TTF的一维β相,通过控制单晶生长的过程参数能控制单晶尺寸的大小;采用溶液法原位制备TTF单晶场效应晶体管。对大量器件数据总结后发现,不同相的迁移率有所不同,α相的最大迁移率能达到1.2cm2V-1s-1,而β相的最大迁移率仅为0.23 cm2V-1s-1;将TTF分子之间的电荷传输过程模拟为一种Brownian迁移过程,理论结果显示与实验结果完全吻合。（2）合成了TTF的一种衍生物TCTT-TTF,主要在TTF两边四个不稳定位置上引入四个氰乙硫基。采用溶液法自组装生成各种形貌与尺寸的TCTT-TTF单晶;对比TCTT-TTF与α相TTF的电化学稳定性、热稳定性、真空稳定性等,分析两种晶体的分子结构与堆积。结果表明,TCTT-TTF的稳定性远远好于α相TTF;采用溶液法原位制备TCTT-TTF单晶场效应晶体管,其中绝缘层为聚乙烯醇（PVA）与十八烷基三氯硅烷（OTS）双层修饰;采用三氯甲烷溶剂获得器件的迁移率、开关比和阈值电压分别为0.01cm2V-1s-1、1.1×103和26.7V。（3）β相TTF单晶与TCNQ单晶对光都具有响应性。其中β相TTF单晶对光的响应时间超过60s,光开关比较低;而TCNQ单晶对光的响应时间则低于0.5s,光开关比超过100;栅压的引入对两种晶体的响应度无影响,只是改变光开关比;对比β相TTF与TCNQ晶体结构发现,分子间π···π作用,包括“边对边”、“面对面”的堆积越好,越有助于提高光生载流子的传输速率,同时提高电子与空穴重新结合的几率与速率;而相对松散的堆积结构使得光生载流子的传输速率降低,同时也降低了电子与空穴重新结合的几率与速率,从而表现出强烈的残留电导率,并且无法通过栅压的调节而获得改善;TCNQ单晶光晶体管显示出良好的光导作用,具有很好的应用前景。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 场效应晶体管
• 1.2.1 场效应晶体管的基本结构
• 1.2.2 场效应晶体管的基本特性参数
• 1.3 有机场效应晶体管
• 1.3.1 有机场效应晶体管的发展与应用
• 1.3.2 有机场效应晶体管的基本结构
• 1.3.3 有机场效应晶体管的研究现状
• 1.3.3.1 有机场效应晶体管材料的研究现状
• 1.3.3.1.1 小分子场效应晶体管的研究现状
• 1.3.3.1.2 聚合物场效应晶体管的研究现状
• 1.3.3.2 有机场效应晶体管制备技术的研究现状
• 1.3.4 有机场效应晶体管的应用前景
• 1.4 有机单晶场效应晶体管
• 1.4.1 有机单晶场效应晶体管的研究背景及意义
• 1.4.2 有机单晶的生长
• 1.4.3 有机单晶场效应晶体管的研究现状
• 1.4.4 TTF 类场效应晶体管的研究现状
• 1.5 课题的选择以及研究意义
• 第二章 TTF 单晶的可控合成与器件的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验材料和方法
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验设备
• 2.2.3 实验方法
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 材料的表征
• 2.3.2 TTF 单晶的可控合成
• 2.3.2.1 溶剂选择以及溶液浓度对晶体形貌的影响
• 2.3.2.2 晶体尺寸的控制
• 2.3.2.3 晶相的可控生长
• 2.3.3 TTF 单晶场效应晶体管的制备
• 2.3.4 TTF 单晶场效应晶体管的性能
• 2.3.5 TTF 单晶场效应晶体管的理论计算
• 2.3.5.1 理论计算方法
• 2.3.5.2 理论计算结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 对TTF 侧链结构修饰的可控合成以及器件的制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验材料和方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 材料的表征
• 3.3.2 TCTT-TTF 单晶的可控合成
• 3.3.2.1 TCTT-TTF 晶体的大面积合成
• 3.3.2.2 TCTT-TTF 晶体的形貌表征
• 3.3.2.3 TCTT-TTF 单晶表征
• 3.3.3 TCTT-TTF 单晶的稳定性分析
• 3.3.3.1 电化学稳定性
• 3.3.3.2 热稳定性
• 3.3.3.3 晶体的真空稳定性
• 3.3.3.4 晶体的分子堆积
• 3.3.4 TCTT-TTF 单晶场效应晶体管的制备
• 3.3.5 TCTT-TTF 单晶场效应晶体管的性能
• 3.4 本章小结
• 第四章 TTF 与TCNQ 单晶光晶体管与双极性晶体管的初步研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验材料和方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 实验设备
• 4.2.3 实验方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 TCNQ 的各种表征
• 4.3.2 TTF 与TCNQ单晶光晶体管的制备
• 4.3.3 TTF 与TCNQ单晶光晶体管的性能
• 4.3.4 TTF 与TCNQ单晶双极性场效应晶体管的制备
• 4.3.5 TTF 与TCNQ单晶双极性场效应晶体管的性能
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 下一步工作计划
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢